Đồ án điều khiển robot 5 bậc xếp hộp kem đánh răng theo đường thẳng tại HCMUTE năm 2026

Nghiên cứu điều khiển robot 5 bậc xếp hộp kem đánh răng theo đường thẳng, kết hợp PLC Mitsubishi Q-Series và thuật toán YOLOv8 xử lý ảnh.

• Tác giả: Bế Ích Điền
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Hoàng Lam
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển robot 5 bậc xếp hộp kem đánh răng thành hàng thẳng
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan điều khiển robot 5 bậc xếp hộp kem đánh răng tại HCMUTE

Đề tài tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào thiết kế hệ thống xếp hộp kem đánh răng tự động. Ngành sản xuất hàng tiêu dùng đòi hỏi tốc độ đóng gói cao và độ chính xác nghiêm ngặt. Việc sử dụng lao động thủ công dễ dẫn đến sai lệch vị trí, giảm năng suất và gia tăng chi phí vận hành. Do đó, giải pháp robot công nghiệp là xu hướng tất yếu trong nhà máy hiện đại. Cánh tay robot năm bậc tự do mang lại khả năng cơ động vượt trội trong không gian ba chiều hẹp. Cơ cấu này đáp ứng đầy đủ các chuyển động phức tạp từ băng chuyền cấp phôi đến vị trí đóng hộp. Hệ thống tích hợp đồng bộ các thiết bị điều khiển từ Mitsubishi Electric nhằm đảm bảo tính ổn định cao. Công nghệ điều khiển chuyển động tiên tiến giúp tối ưu hóa thời gian chu kỳ cho mỗi sản phẩm. Dự án khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng kỹ thuật tự động hóa tiên tiến vào giải quyết bài toán thực tiễn trong các dây chuyền phân loại công nghiệp.

1.1. Bối cảnh tự động hóa đóng gói bao bì

Trong các nhà máy hiện đại, công đoạn đóng gói cuối dây chuyền luôn giữ vai trò then chốt. Hộp kem đánh răng có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và bề mặt trơn trượt. Việc sắp xếp thủ công trên các đường thẳng cố định thường gây chậm trễ tiến độ. Sai sót định vị có thể làm hỏng bao bì và đình trệ toàn bộ hệ thống đóng thùng. Ứng dụng robot giúp loại trừ những lỗi thao tác này. Cơ cấu chấp hành chính xác cho phép duy trì nhịp độ làm việc liên tục suốt nhiều giờ. Dây chuyền nhờ đó đạt tiêu chuẩn chất lượng cao hơn, hạn chế tối đa thời gian dừng máy và nâng cao lợi thế cạnh tranh cho doanh nghiệp.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và cấu trúc đề tài

Đề tài tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại HCMUTE đặt ra mục tiêu làm chủ công nghệ điều khiển chuyển động đa trục. Nhóm tác giả tập trung xây dựng mô hình robot 5 bậc tự do để thao tác gắp xếp sản phẩm theo các đường thẳng xác định. Nhiệm vụ chính bao gồm tính toán động học, thiết kế mạch phần cứng và lập trình quỹ đạo. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Motion CPU chuyên dụng nhằm đạt độ chính xác vị trí cao. Nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cho sinh viên và kỹ sư ngành tự động hóa công nghiệp.

II. Phân tích điều khiển robot 5 bậc xếp hộp kem đánh răng tại HCMUTE

Quá trình phân loại và định vị bao bì chứa đựng nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Mỗi hộp kem đánh răng cần được gắp từ vị trí phân phối và đặt chính xác vào các khe thẳng hàng trên khay chứa. Bất kỳ sai số góc quay nào cũng có thể khiến hộp bị kênh hoặc rơi khỏi quỹ đạo di chuyển. Trọng lượng của cánh tay robot năm bậc tự do tạo ra quán tính lớn tại các khớp quay. Nếu gia tốc thay đổi đột ngột, hiện tượng rung lắc cơ khí sẽ làm suy giảm độ chính xác điểm dừng. Bên cạnh đó, việc điều khiển đồng thời năm trục truyền động yêu cầu sự phối hợp tín hiệu tức thời và liên tục. Trễ truyền thông giữa bộ xử lý và servo driver sẽ phá vỡ tính đồng bộ của chuyển động. Vấn đề giải thuật động học ngược cũng là trở ngại lớn do tồn tại nhiều nghiệm toán học khác nhau. Hệ thống phải lựa chọn cấu hình khớp tối ưu để tránh va chạm vào khung cơ khí và tiết kiệm năng lượng.

2.1. Yêu cầu khắt khe về độ chính xác cơ cấu gắp

Hộp kem đánh răng có đặc tính mềm và dễ móp méo khi chịu lực kẹp không phù hợp. Lực kẹp của tay gắp cần được kiểm soát cân bằng. Nếu lực gắp quá nhỏ, vật thể sẽ trượt trong quá trình tăng tốc. Nếu lực gắp quá lớn, bao bì sẽ bị biến dạng bề mặt. Ngoài ra, việc xếp sản phẩm thành hàng thẳng tắp đòi hỏi độ lệch vị trí không vượt quá ngưỡng cho phép. Sai số tích lũy từ các khớp quay cơ khí là nguyên nhân chính gây trượt mục tiêu. Môi trường công nghiệp cũng sinh ra rung chấn ngoài ý muốn từ các thiết bị xung quanh. Cơ cấu chấp hành do đó phải có độ cứng vững cao và phản ứng nhanh nhạy.

2.2. Trở ngại tính toán động học và đồng bộ trục

Robot 5 bậc tự do có cấu trúc chuỗi động học hở phức tạp. Phương trình động học thuận xác định vị trí đầu công tác tương đối đơn giản. Ngược lại, bài toán động học nghịch đảo lại chứa các hệ phương trình phi tuyến phức tạp. Bộ xử lý thông thường khó có thể giải quyết các phép tính lượng giác này theo thời gian thực. Bất kỳ độ trễ tính toán nào cũng làm giảm tính liên tục của quỹ đạo. Hơn nữa, việc đồng bộ năm động cơ servo đòi hỏi thời gian truyền chu kỳ cực ngắn. Nếu các trục không đạt đến tọa độ đích cùng lúc, đầu gắp sẽ di chuyển lệch khỏi đường thẳng quy định. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về một kiến trúc điều khiển chuyên dụng có hiệu năng xử lý cao.

III. Phương pháp điều khiển robot 5 bậc xếp hộp kem đánh răng HCMUTE

Giải pháp công nghệ cốt lõi của đề tài nằm ở việc tích hợp bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng Motion CPU của Mitsubishi Electric. Thiết bị này đảm nhiệm toàn bộ tác vụ tính toán quỹ đạo phức tạp, giảm tải hoàn toàn cho PLC chính. Mỗi khớp quay của robot được dẫn động bằng một động cơ servo kết hợp bộ điều khiển servo driver thông minh. Servo driver liên tục nhận lệnh điều khiển và phản hồi tín hiệu vị trí từ encoder theo chu trình kín. Nhờ đó, sai số vị trí luôn được bù trừ tức thì trong thời gian thực. Hệ thống sử dụng thuật toán nội suy đường thẳng để dẫn hướng đầu gắp di chuyển mượt mà. Bên cạnh phần cứng, giao diện giám sát HMI GT SoftGOT2000 đóng vai trò giao tiếp quan trọng. Người vận hành có thể nhập tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ Descartes và kích hoạt tính năng tính toán động học ngược tự động. Toàn bộ thông số vận hành, tốc độ quay và trạng thái báo lỗi đều được hiển thị minh bạch, bảo đảm an toàn kỹ thuật.

3.1. Kiến trúc điều khiển Motion CPU và Servo Driver

Kiến trúc phần cứng xây dựng trên nền tảng Motion CPU Mitsubishi mang lại năng lực điều khiển mạnh mẽ. Thiết bị xử lý trực tiếp các hàm toán học đa thức bậc cao cho cả năm trục cơ cấu. Servo driver đóng vai trò khuếch đại công suất và kiểm soát dòng điện cấp cho động cơ. Cơ chế phản hồi kín từ encoder tuyệt đối giúp giám sát vị trí liên tục. Mọi hiện tượng trễ tín hiệu đều được triệt tiêu qua mạng truyền thông SSCNET tốc độ cao. Các chức năng bảo vệ chống quá tải, quá áp và ngắn mạch được tích hợp đầy đủ. Hệ thống đảm bảo vận hành ổn định trong điều kiện làm việc liên tục.

3.2. Giám sát giao diện POS trên phần mềm GT SoftGOT2000

Phần mềm GT SoftGOT2000 hỗ trợ thiết kế giao diện vận hành trực quan trên nền tảng máy tính công nghiệp. Màn hình POS (Position Control) chia làm hai phân khu chính. Phân khu một bố trí các nút điều khiển chức năng gồm ON/OFF INVERSE, RUN và HOME RETURN. Phân khu hai là khu vực nhập liệu và hiển thị giá trị thời gian thực. Kỹ thuật viên nhập tọa độ Descartes Px, Py, Pz vào cột Input Position. Hệ thống lập tức giải động học ngược và cập nhật góc quay vào cột Inverse Angle. Cột Feed Current Value hiển thị trực tiếp tọa độ góc thực tế của từng trục. Nhờ cơ chế giám sát này, sai sót định vị được ngăn chặn kịp thời.

IV. Đánh giá điều khiển robot 5 bậc xếp hộp kem đánh răng tại HCMUTE

Kết quả nghiên cứu đề tài tại HCMUTE đã chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả của mô hình robot năm bậc tự do. Hệ thống thực hiện chuẩn xác chu trình gắp sản phẩm và xếp thẳng hàng theo đúng tọa độ thiết kế. Thời gian đáp ứng của từng khớp servo đạt độ nhạy cao, loại bỏ hoàn toàn các dao động cơ học ngoài ý muốn. Việc tích hợp Motion CPU khẳng định ưu thế vượt trội trong xử lý chuyển động đa trục phức tạp. Giao diện điều khiển HMI đem lại sự tiện lợi, an toàn và dễ thao tác cho người vận hành kỹ thuật. Mô hình không chỉ giải quyết triệt để bài toán xếp hộp kem đánh răng mà còn có tính ứng dụng đa dạng. Cấu trúc hệ thống có thể mở rộng sang các dây chuyền phân loại dược phẩm, thực phẩm đóng hộp hoặc linh kiện điện tử. Đây là bước đệm quan trọng trong việc nội địa hóa các giải pháp tự động hóa công nghiệp chất lượng cao, thúc đẩy hiện đại hóa quy trình sản xuất.

4.1. Đánh giá độ tin cậy và sai số vận hành thực tế

Kết quả kiểm nghiệm chứng minh tay máy đáp ứng yêu cầu xếp thẳng hàng với sai số định vị trong giới hạn cho phép. Thuật toán nội suy và bù trừ quán tính giúp đầu gắp di chuyển êm ái. Các hộp kem đánh răng được kẹp chắc chắn, không bị xước hoặc móp méo vỏ bao bì. Hệ thống thực hiện thao tác nhịp nhàng theo chu kỳ đặt trước. Động cơ servo hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ an toàn suốt quá trình chạy dài. Nhờ cơ chế an toàn trên phần mềm, robot tự động dừng khi phát hiện sự cố vị trí, bảo vệ thiết bị và phôi gia công hiệu quả.

4.2. Triển vọng ứng dụng vào nhà máy thông minh

Mô hình điều khiển robot 5 bậc mang tính mở và dễ dàng tích hợp vào hệ thống sản xuất tích hợp máy tính CIM. Kiến trúc điều khiển bằng Motion CPU cho phép kết nối linh hoạt với hệ thống thị giác máy tính và cảm biến kiểm tra ngoại quan. Giải pháp này giúp các doanh nghiệp nâng cao mức độ tự động hóa trong khâu hoàn thiện sản phẩm. Việc ứng dụng robot thay thế lao động thủ công mang lại sự ổn định năng suất và giảm chi phí sản xuất dài hạn. Đề tài mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại hình đóng gói công nghiệp khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ENGINEERING FACULTY FOR INTERNATIONAL TRAINING -----------------⸙∆⸙----------------- GRADUATION THESIS Project: CONTROL 5 –STEP ROBOT TO ARRANGE TOOTHPASTE BOXES ON STRAIGHT LINES Major: AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY Instructor: Mas. Le Hoang Lam Members : Be Ich Dien 20151269 Nguyen Van Nghia 20151306 Ho Chi Minh City, January 2026 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ENGINEERING FACULTY FOR INTERNATIONAL TRAINING -----------------⸙∆⸙----------------- GRADUATION THESIS Project: CONTROL 5 –STEP ROBOT TO ARRANGE TOOTHPASTE BOXES ON STRAIGHT LINES Major: AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY Instructor: Mas. Le Hoang Lam Members : Be Ich Dien 20151269 Nguyen Van Nghia 20151306 Ho Chi Minh City, January 2026 DECLARATION This is to certify that this thesis is the result of my own research and academic work, conducted during my studies at the Faculty of Electrical and Electronics Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology and Education. All information, data, analyses, and results presented in this thesis are accurate to the best of my knowledge and have been obtained through legitimate research activities.

Any sources of information or materials used have been appropriately acknowledged and cited in accordance with academic standards. I hereby accept full responsibility for the content of this thesis and understand that any breach of academic integrity is subject to the regulations of the University. Prepared by the Authors Be Ich Dien Nguyen Van Nghia ACKNOWLEDGEMENTS The authors would like to express their sincere gratitude to all lecturers of the Faculty of Electrical and Electronic Engineering and the Department of Automation, Ho Chi Minh City University of Technology and Education, for their dedicated teaching and for providing valuable knowledge and experience throughout the course of study. These foundations have played an important role in enabling the authors to carry out and complete this graduation project.

In particular, the authors would like to express their deepest appreciation to Mr. Le Hoang Lam, M., who directly supervised and supported the authors during the implementation of this project. His professional guidance, constructive comments, and timely encouragement were of great assistance in helping the authors overcome difficulties and successfully complete the project. The authors would also like to extend their sincere thanks to their families for their constant support, encouragement, and favorable conditions throughout the study and research process.

Their understanding and motivation have been a great source of encouragement for the authors during the completion of this graduation project. Although the authors have made every effort to complete the project with a high sense of responsibility, limitations in time, knowledge, and practical experience are unavoidable. Therefore, the project may still contain certain shortcomings. The authors respectfully look forward to receiving valuable comments and suggestions from the lecturers so that the project can be further improved.

The authors sincerely thank you. TABLE OF CONTENT DECLARATION. xi CHAPTER 1: OVERVIEW. Statement of the Problem.

4 CHAPTER 2: THEORETICAL BACKGROUND. General Introduction to PLC. Overview of PLC. Overview of the Mitsubishi Q-Series PLC.

Overview of camera Basler. Types of distortion type. Overview of YOLOv8 (You Only Look Once). Principle of Operation of YOLOv8.

Compare YOLO versions and reasons to choose YOLOv8. Visual Studio Code. DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE SYSTEM. Construction of the system.

Hardware system design .Designing user interface. Algorithmic problems for Robots. Set the axis for the robot arm .2 Build DH table(Denavit–Hartenberg) .Forward Kinematics Analysis. Inverse Kinematics Analysis.

Image processing algorithm. YOLO model training process. Coordinate System Transformation from Camera to Robot. 57 CHAPTER 4: SYSTEM OPERATION.

Forward Kinematics Verification. Inverse Kinematics Verification. System-wide performance evaluation. 77 LIST OF FIGURE Figure 1.

The production line uses robot arms. FANUC LR Mate 100iB .Basler camera in industry. Basic structure of a PLC system. Mitsubishi PLC lines.

PLC lines Q series. PLC scan cylce. Principle of the YOLOv8 model. Compare different YOLO versions.

Object detection display. Interface according to the design. Control diagram of QY42P output. Module output pins .